这项研究的主要目标是针对环保、低风噪音、安装成本低、禽类死亡率低以及安全考虑等方面的优势，研发一种适合于城市区域或屋顶附近操作的中等速度抖动风力涡轮机。作者们专注于在小攻角幅度内进行升力型（LB）缓慢抖动风力涡轮机的操作，而以往的研究则使用升力和阻力型（LDB）抖动涡轮机。这里，作者们通过使用Chebyshev dyad联动机构以及以往的报告，设计了一种独特的翅膀运动轨迹。
可再生能源风能的运用
面对未来能源需求的挑战，可再生能源被视为可持续能源的主要来源。
由于成本竞争力、能源安全性、环境问题、发展中国家和新兴经济体对现代能源的需求增长等多种因素的推动，利用可再生能源的兴趣正在迅速增长。
2015年，新增的可再生能源容量达到了约147吉瓦，是历史上最大的数量。
风能被认为是可持续环境的可行的绿色可再生能源，风力发电的自然能量被转换成电能，而且不会产生任何二氧化碳排放。
此外，发电所产生的能量可以轻易地注入到建筑物的电网中，从而减少了外部能源需求。
一项新的碳信托研究表明，小型风力涡轮机每年可以产生高达1.5兆瓦的电力，这可以每年减少大量的二氧化碳排放。
因此，全球环境问题是研究者们关注的主要问题，并且预计在未来会继续扩大。
将风能转换成电力的传统概念是基于水平轴风力涡轮机（HAWT）和垂直轴风力涡轮机（VAWT）。
尽管VAWT为偏远地区提供了能源解决方案，但它并不像HAWT那样具有经济吸引力。
VAWT相较于HAWT具有优势，因为这些机械不会因频繁的风向变化而受到影响，并且适用于结构和美学方面的原因。
VAWT在典型的建筑环境中表现出了在湍流流中增强功率的特点，微型风力涡轮机的开发作为备用能源正在快速增长，并且将被用于靠近居住区或屋顶的场所。
水平轴风力涡轮机
在靠近居民区附近操作风力涡轮机的安全非常重要，但风力涡轮机提供了清洁的可再生能源，但它也有一些复杂的问题。
解决风力涡轮机产生的噪音困扰是开发风力涡轮机用于靠近居住区等场所的重要技术问题之一，减少由涡轮机引起的鸟类和蝙蝠死亡是需要改进的研究领域。
此外，为了利用山丘效应在住宅领域中产生的效果，研究人员现在正在专注于屋顶风力涡轮机的开发和利用。
另一方面，安装风力涡轮机靠近居住区或屋顶时，安全考虑下确保结构稳定性、噪音困扰和缓慢的旋转速度总是一个重要问题。
缓慢拍动式垂直轴风力涡轮机是一个创新的想法来解决这些不希望的问题，因为它可以提供可预测的能量产出。
考虑到这些事实，我们提出了这样一种缓慢拍动式垂直轴风力涡轮机。
拍动叶片的运动通过各种几何参数控制来产生翼型的非稳定升力和阻力力，从而有效地产生旋转力矩。
在我们目前的研究中，我们优化了涡轮机的设计，创建了一条适合飞行速度的拍动运动轨迹。
为了优化设计，我们强调使用所有参数的组合，如连杆长度，三角形角度，安装角度，所产生的扭矩量和涡轮机的工作能力。
在拍动运动中，气动剖面的攻角不断变化，从而导致气动剖面周围环流的变化。
动态失速是削弱涡轮机效率的关键参数之一。
当涡轮机叶片改变位置时，具有大攻角时发生流动分离，一旦发生这种情况，叶片的升力受到影响，导致总体能量提取效率显著下降。
为了克服气动力学的这种行为，我们在目前的拍摆风力涡轮机设计中考虑了小攻角振幅。
本文进行了数值研究，旨在设计和开发一种采用Chebyshev-dyad杆机构制造的升力优先的振动涡轮机来提取风能。
当前的涡轮机设计被视为替代方案，即基于升力的(LB型)，相对于我们之前设计的涡轮机，它是基于升力和阻力的(LDB型)。
此外，我们展示了一种更慢的拍动风力涡轮机的实际使用，重点放在使用在住宅区附近或屋顶上，由于噪音干扰较小，提取功率数量可观。
至笔者所知，将拍动翼概念应用于提取风能是一个新的待开发领域，尚未进行实质性的研究。
扑翼风力发电机的机理
振动式风力涡轮机是一种高贵的涡轮机类型，其叶片由可动振翅制成。
在本报告中，我们考虑通过采用振动机制来提取风能的相对较新的想法，其中通过各种几何参数控制叶片振动以适应特定的风速。
在我们提出的基于Chebyshev-dyad连杆机构的振动风力涡轮机中，对称翼NACA0012通过独特的运动将风能传递到机械旋转中。
如图所示，翼叶通过Chebyshev-dyad连杆与转子相连，风力通过这种连杆机构转化为旋转运动。
拍打风力涡轮机的轨迹和几何形状
因此，连接机构在机械领域中发挥了重要作用，既可以驱动产生的力，也可以在不同的输出运动中传递力 。
为了确认其性能稳定，高速操作和高承载能力的适用性，确认这些连杆几何参数的合适组合至关重要 。
长度比，L1:L2:L3:L4，叶片安装角度，以及菱形角度，是振动风力涡轮机运动的重要控制参数。
一般来说，Chebyshev-dyad连杆机构具有将对称曲线的机械力转换为另一个对称曲线的优势。
例如，使用Chebyshev-dyad连杆机构，可以轻松地将对称的4连杆的曲线转化为圆形路径。
在我们当前的系统中，一个独特的“八字形”轨迹被考虑为Chebyshev-dyad的输入曲线，输出曲线被确定为圆形曲线。
下图显示了振动风力涡轮机的示意图，对于当前的系统，一组两个连杆支撑一个单翼，NACA0012 正常安装在流动方向上。
拍打风力涡轮机示意图
在振动设计中，叶片固定在预定点上，具有恒定的安装角度，翼叶通过独特的轨迹运动，即在周期内固定于K点的翼叶沿八字形轨迹运动。
点A绕圆周运动，点B伴随翼叶的运动画折线，因此随着翼叶沿轨迹的运动，攻击角会不断变化。
在静态风速下，不同翼位的攻击角变化直接影响翼叶产生的气动力。
一旦振动涡轮开始运动，由翼叶产生的气动力将通过Chebyshev-dyad连杆转化为转子旋转运动。
不同三角翼角度下的翼刀轨迹变化
由于风力涡轮的周期性运动，即使流动是均匀的，翼叶和流向之间的相对速度在每个周期中都会发生变化。
由于大的攻角，攻角的快速变化超过了失速条件和流动分离的发生。
尽管大的攻角不可避免地出现在某个区域，但在这种情况下，翼进入失速状态但保持大的升阻系数，通过为涡轮设计合适的轨迹，我们可以获得有效的驱动力。
失速是一种不稳定现象，很难在失速条件下准确地近似计算涡轮性能。
在我们目前的涡轮设计中，我们忽略了由于攻角过大而引起的失速现象，而是专注于慢速上下摆动的基于升力的风力涡轮，该涡轮在小攻角幅度内运行。
风向角度被认为为90度，目前系统中转子的旋转方向是逆时针方向。
目前的研究中，翼型弦长和翼展分别选择为0.2米和0.3米，如图所示。
合力与叶片轨迹的内积
机械分析
在现有的振动风力涡轮中，具有NACA0012空气动力剖面的单片翼叶依靠攻击角将动能转化为气动力。
与传统的旋转风力涡轮相比，振动翼叶通过不断变化的位置和方向引起了一种独特的气动流动机理，由于风力涡轮的周期性运动，即使流动是均匀的，翼叶和流向之间的相对速度在每个周期中也会发生变化。
因此，气动力系数直接取决于攻击角和相对流体速度。
考虑到5 m/s到12 m/s的流速时，雷诺数在6.6×104到2.0×105的范围内变化。
在当前系统中，风速为10 m/s时的雷诺数接近之前科研中考虑的值1.6×105。
风速10 m/s时角速度与时间的比较
在目前的系统中，合成力沿旋转方向作用，通过一个八字形轨迹作为主要驱动力。
通过连杆机构，空气流动转化为旋转运动，旋转轴上连接的发电机进行发电。
升力和阻力的计算如下：
为了进行数值分析，考虑对链接机构的综合平衡，即每个连杆OA、BC和菱形ABK的力和力矩与我们先前的振动风力涡轮类似，以评估旋转运动产生的扭矩。
旋转运动所产生的扭矩是通过解决所有平衡方程并以下述方程式所述的升力和阻力来确定的。
通过使用显式四阶 Runge-Kutta 方法解决刚体运动方程，计算转子的旋转角速度如下所示：
式中，I代表具有半径（r）的旋转盘的惯性矩，该惯性矩通过将预测的质量（M），例如发电机和轴等进行求和，使其成为适用于不同负载条件的更实用的应用。
当涡轮运动时，相对速度根据翼的速度计算如下所示：
在我们目前的系统中，转子速度是可变的，因此翼速度按照下面的方程式计算：
相对入口角度计算如下，这里，数字I代表计算的节点数。
优化程序
在现有系统中，存在许多参数，由于不同设计问题中目标和约束的变化，使用单一的公式程序难以适用于所有工程设计问题。
在优化方法中，我们必须关注优化的主要目标，我们需要研究影响优化问题的变量。
由于需要某种形式的参数化，因此首先我们需要寻找一组输入参数，以完全描述问题。
如果参数的变化可以显著影响问题的性能度量，那么这些参数就被认为是设计的重要因素。
此外，必须记住，随着参数数量的增加，优化的复杂性呈指数级增长，因此需要尽可能减少变量的数量。
在机械设计中，通过优化过程进行设计时，设计师始终考虑诸如强度、重量、输出度量、寿命等特定目标。
然而，对于完整的机械组装设计，设计优化会产生一个包含许多设计变量的复杂目标函数。
因此，将优化技术应用于单个组件或中间设计始终是一种良好的实践方式。
在实际设计问题中，设计参数的数量通常非常大，由于非线性特性，它们对目标函数的影响可能很复杂。
然而，目标函数可能具有许多局部极值，但是设计师始终对某个区域内的全局极值感兴趣。
回到目前的优化问题，上下摆风力涡轮的设计直接取决于几个参数，例如内部耦合器角度、安装角度、连接长度属性、攻角振幅和风向。
每个参数都与其他参数相互关联，这意味着一个参数的变化将直接影响其他参数，所以这些参数的讨论共同展示了涡轮的整体性能和轨迹的显著变化。
对于在涡轮运动中移动小攻角幅度的平稳上下摆动运动，并实现我们目标，我们需要优化所有的设计参数。
为了达到我们目标，我们通过维持迭代过程进行了优化，详见下图。
对于优化设计参数，我们强调维持机械平衡、独特轨迹、小攻角幅度、涡轮整体工作能力、发生的转矩量和缓慢的上下摆动运动。
为了评估设计的涡轮性能，我们使用自己开发的MATLAB代码进行了模拟。
最佳设计程序的参数优化流程图
静态模拟
与其他位置相比，肩峰角度的变化并保持翼的小攻角振幅在运动中。
安装角度是籽片风力涡轮机设计的另一个重要参数，尽管它不影响轨迹形状，但它仍对风力涡轮机的整体性能起着重要作用。
在小攻角下操作振动式风力涡轮机时，安装角度被视为现有系统中的重要参数。
由于安装角度直接改变了攻角的偏向，不同的安装角度在涡轮旋转过程中提供的攻角振幅是不同的。
此外，不同的攻角振幅直接影响气动力的产生。
下图显示在固定风速5 m/s下，不同安装角度位置在一次旋转中产生的平均切向力。
风速为5米/秒时不同安装角度的平均切向力
下图显示了在不同安装角度下一周期的攻角变化情况。
因此，我们认可当前设计的最佳安装角度为90度，这样能在涡轮运动中提供最大的切向力，同时保持合适的攻角振幅。
不同安装角下桨叶迎角的变化
让我们估算Chebyshev二元组中的联杆长度，这对于涡轮机的设计非常重要，因为随着联杆长度的微小变化，轨迹和轮机性能也会发生变化。
为了从飞振式风力涡轮机中获得更好的性能并保持联杆的机械平衡，重要的是要考虑每个联杆的适当位置和最佳长度。
最初，我们将联杆长度L1设定为0.05m作为预设参数，必须确定其他适当的联杆长度以获得最佳性能，联杆长度L2和联杆长度L4相同以允许Chebyshev准则。
通过计算结果，我们发现当L2和L3之间的差异很大时，系统的联杆平衡会破坏，并且当L2和L3之间的差异很小时，设计的结果变得有利。
基于不同联杆长度L2、L3和L4的平均扭矩值曲线。
为了保持飞振运动中的小攻角振幅，点C的位置从原点O向外扩展。
考虑一个单独的联杆长度L2与其他固定参数的例子：联杆长度L1等于0.05m，联杆长度L3等于0.3m，肩峰角度等于60度，风速5m/s。
这给出了下图中显示的扭矩曲线的变化，包括平均扭矩值。
L2= 0.28米
L2= 0.30米
L2= 0.32米
L2= 0.34米
下图显示了由翼片产生的不同轨迹，分别对应不同的联杆长度L2。
不同连杆长度L的轨迹变化2(m)
链长度L2的微小变化会使得扭矩曲线随轨迹变化，轨迹的变化也会影响攻角曲线以及风力涡轮的整体性能。
下图显示了对于不相同的链长度L2、L3和L4，通过单独线性变化来获得最大扭矩的模拟平均扭矩值的总结。
在每种情况下，一个链长度的变化对另一个链长度固定为0.3米时的影响。
基于不同联杆长度L2、L3和L4的平均扭矩值曲线
此外，下图展示了链长度L2、L3和L4的平均余弦值之间的关系，线性变化遵循相同的标准。
由此可知，在链长度L2和L3中的小差异可以被视为设计中有益的相邻区域，这两个链长度的相同值为一次完整旋转提供了更好的轨迹形状、平均扭矩值、平均余弦值和小攻角幅度。
基于不同联杆长度L2、L3和L4的平均余弦值曲线
在这些数值下，下图展示了不同风速下各种扭矩发展的关系。
由于翼片改变了运动方向，因此会发现小的负扭矩，而惯性却支配着动态情况下的运动继续。
完整旋转中获得的最大扭矩在转子旋转角度的270度左右达到。
静态扭矩曲线的趋势也随着风速的增加而相似，并且平均扭矩随着风速的增加而明显增加。
不同风速下一次旋转的静态扭矩发展
动态仿真
为了更准确地估计现有风力涡轮机的近似值，根据静态分析，进行了动态分析，并使用最佳参数进行了模拟。
在本次模拟中，通过求解方程式并讨论相对速度细节，研究了风力涡轮机的运动情况，其中有关详细信息，请参见第三节。
下图显示了在三个不同的风速5m/s、7m/s和9m/s下，从动态运动中获得的所产生扭矩。
动态模拟从θ1 = 0开始，从静止状态开始，增量角度被取为0.01度。
图中显示了在运动开始后5秒钟的动态扭矩，在动态模拟中，涡轮机在某段时间内加速并接近稳态旋转速度。
不同风速下的瞬时扭矩
考虑到从静止状态开始的运动起始条件意味着假设没有负载条件，以及考虑了转子加速负载条件的模拟模型。
下图显示了V0 = 5、7和9 m/s的角速度发展情况，从图中可以看出，每条曲线在开始后都显示大的梯度和波动。
在这个运动中，产生的扭矩被用于产生运动。为了实现准稳态运动，在风速增加时变得更快。
在图中，我们假设扭矩分布函数Φ = Φ（90％_10％），即在三个不同的风速下，涡轮机的负载为发生的扭矩中的90％，用于平衡发电机产生的负载，其余的扭矩用于运动的延续。
不同风速下角速度随时间的变化
下图显示了在三种不同的负载条件下，风速为5m/s时发展的角速度。
风速为5米/秒时不同扭矩分配下角速度随时间的变化
结论
本报告展示了一种小攻角幅度下运行的摆动式风力涡轮机。所提出的风力涡轮机沿着Chebyshev双联杆机构制造的“八字”轨迹旋转。
在此报告中，与之前的“升力-阻力型”（LDB型）相比，我们设计了“升力型”（LB型）摆动涡轮。
摆动风力涡轮机有效地利用单个翼片产生的力来将较多的机械能转换成较慢的速度。
此外，小攻角操作的摆动风力涡轮机产生的平均功率和平均功率系数，与LDB类型的风力涡轮机相比显示出显著的渐变。
此外，通过延长翼片的长度和宽度，LB型涡轮机的发电量可以增加。
根据涡轮机的安装地区，摆动风力涡轮机的形状和尺寸可以增加以获得更多的发电量，而不影响风力涡轮机的目标。
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